<p>This master thesis treats the NTNU Rotary Wrist Device(NRWD). The wrist has been developed through several projects and assignments, all derived from Øyvind Stavdahls PhD thesis from 2002, which led to a document of functional specifications. This thesis follows from a specialization project by the writer during autumn 2009. The project looked into the error-prone circuit board that was made to control the NRWD, and came to the conclusion that it could not be used, and that a different approach was necessary. Based on the experience achieved by previous assignments a suggestion for the complete hardware circuitry has been designed. In September 09 the first revision of a protocol for communication in electrical prosthesis were released. The protocol was developed at University of New Brunswick (from here referred to as the UNB-protocol), and is presented as a proposal for a standard communication protocol in the world of electrical prosthesis. This thesis suggests an expansion to this protocol. The expansion is about device profiles, meaning that a device (e.g., a wrist prosthesis, elbow prosthesis, sensory or the like) connecting to an electrical prosthesis system will let the system know what functions it can provide, without the need of updating of the system. A complete functional specification for the NRWD has been written. The specifications are based on those from the originals made by Stavdahl, with revisions in the requirements involving communication. This to make them comply with the UNB-protocol. The protocol is build on a CAN-bus, so in practice this means that all digital communication interfaces except CAN has been removed. In addition there have been added a requirement to prevent the motor from overheating. During the assignment a complete circuit diagram for a new control system has been developed. The circuitry is ready for testing and construction. It has been emphasized to use small components and making the NRWD hardware compatible with the UNB-protocol. There are also suggested some guidelines for the software development.</p>

<p>The use of robotic grippers offers huge potential benefits in industrial settings. The more advanced a gripper is, the more uses it can have, thus offering large economic benefits. On the other hand, the more complex a gripper is, the more advanced its control system needs to be, in order to control it effectively and safely. This thesis will focus on controlling SCHUNK Dextrous Hand (SDH), a 3-fingered robotic gripper with 7 degrees of freedom and tactile sensors in the fingers. By creating a real-time control system the sensors in the fingers can be used to make a feedback loop that controls the fingers. This is the basis for creating an adaptive gripper that can grip objects of unknown shape, size or position. This control system in combination with a controller for a robotic manipulator arm lets the gripper attempt to grip objects even if they are out of reach. By passing requests up to an overall control system, the gripper can request a translation to a position that gives it a better chance at performing a successful grip on the targeted object. In this project, the controller for the gripper is created, and the communication to and from the manipulator control system is replaced with a simple user-interface. This user interface offers a way of testing the complete system without the use of a manipulator arm. The translations from the gripper is read out, and the target object is moved by hand, in the opposite direction. This solution offers a simple way to expand the system to include the manipulator and its control system in later editions. Initial experiments were successful, with the gripper successfully able to pick up different objects. An apple, an empty soda can (both upright and lying down) and a chocolate egg were all picked up and held firmly without damaging the object. Complications arose with regards to the sensitivity of the sensors. They were generally unable to register any pressure when the fingers came in contact with lighter objects, and had to push the objects against the other two fingers. Another problem that arose was the stability of the application created. The program was based on multi-threading, and real-time sensor analysis. The application crashing did cause some objects to be damaged in the experiments, as the application logic could not halt the fingers despite pressure being registered. Future work should focus on restructuring the application logic to improve the stability, and the control system for the manipulator arm.</p>

<p>Force control of robot manipulators will be needed in the future to fulfill the potential of automated solutions. For this to be possible, adequate control systems for this special purpose are required. This thesis proposes an extension to an existing force control approach found in the literature, based on direct force control, for the use of an industrial ABB robot in anode milling operations. This report presents a control system that aims to exercise force control with a robot manipulator, in order to conduct effective carbon anode milling. The control structure proposed contains both a position controller and a velocity controller, in order to enhance the final result. Because there is a gap between the theory on robot force control and the features usually available on an industrial robot, this control system is modified to be directly implementable on a standard industrial ABB robot manipulator. Simulations, and subsequent comparison, of both this control system and a control system typically found in the industry, which is based on PID control of the milling tool power consumption, are conducted. ABB’s Robot- Studio is used to perform the simulations, where models of the tool, anode and coke are used. From these simulations we see that the industrial PID controller performs very well, and that the newly proposed control approach does not quite reach the same level of performance.</p>

<p>Sammendrag: Hivkompensering kan deles inn i passiv, aktiv og semiaktiv kompensering utifra i hvilken grad det benyttes et aktivt pådrag for å kompensere for hivet. Hivkompenserig kan gjøres på forskjellige måter. Toppmontert sylinderkompensering og løpeblokkmontert sylinderkompensering er to vanlige kompenseringsmetoder. Denne rapporten tar blant annet for seg en forenklet modellering av RamRig heisesystem og en borestreng. Dette er gjort ved å sette opp bevegelseslikninger og kraftbalanser for de forskjellige delene av systemet, med hovedvekt på friksjonskrefter og trykktapskrefter som gjør at det passive hivkompenseringssystemet, som er en del av heisesystemet, ikke er ideelt. Rapporten beskriver deretter arbeidet med utvikling av reguleringsalgoritmer for å oppnå mest mulig konstant vekt på borekrone. Disse algoritmene danner sammen med det passive systemet et semiaktivt hivkompenseringssystem. Det ble forsøkt med PID regulator, foroverkobling av hivforstyrrelsen, kombinert foroverkobling og PD regulator, og akselerasjonstilbakekobling. Simulering viste at den av disse algoritmene som gav best kompensering var foroverkoblingsalgoritmen kombinert med PD regulator, fordi mye av tapskreftene i det passive systemet ved denne algoritmen kompenseres for før de påvirker systemet. PD regulatorens oppgave er å håndtere unøyaktigheter i modelleringen som gjør at kompenseringen til foroverkoblingsalgoritmen ikke er tilstrekkelig i seg selv. Simulering under gitte forhold viser at 95 % av hivbevegelsen blir kompensert for med denne algoritmen i kombinasjon med det passive kompenseringssystemet (mot 70 % for det rent passive systemet). Det er i denne oppgaven utviklet en modell som inneholder de mest vesentlige elementene til det reelle systemet og som er egnet som utgangspunkt for å utvikle reguleringsalgoritmer og til å simulere disse algoritmene på modellen. Det er også utviklet en egnet algoritme for regulering av vekt på borekrone for hivkompensering under boring med RamRig. Målet med oppgaven anses derfor som nådd, og oppgaven gir et godt grunnlag for videre arbeid.</p>

<p>Denne masteroppgaven omhandler videreutvikling av en fjernstyrt LEGO robot ved Institutt for Teknisk Kybernetikk. Roboten har tidligere gjennomgått flere utviklingssteg via prosjekter og diplom/masteroppgaver ved instituttet. Utgangspunktet for oppgaven er en robot bygget av Lego som kan fjernstyres trådløst fra PC. Roboten hadde innebygd et posisjoneringssystem og sensor for måling av avstand til omgivelsene. På PC siden ble MATLAB med tilhørende kartleggings- og navigasjonsalgoritmer brukt for å produsere kart over omgivelsene mens roboten kjørte, såkalt SLAM (Simultaneous Location And Mapping). Roboten kunne derfor under visse betingelser autonomt navigere i ukjente omgivelser. Mer konkret baserte kartbyggingen seg på å utvinne et linjebasert kart der alle objekter i robotens miljø ble redusert til linjer. Derav ble det vanskelig å produsere for eksempel runde objekter i kartet. Andre begrensinger var at posisjoneringssystemet besto kun av en dead-reckoning metode som gjorde at posisjonen til roboten etter hvert som den kjørte ble beheftet med usikkerhet som etter hvert ville gå mot uendelig. I tilegg var det svakheter i programmet når det gjaldt navigeringsstrategier i ukjente områder. I denne oppgaven gjøres det programutvikling i MATLAB for å bedre navigasjons- og kartleggingsegenskapene. Systemet baserer seg på at roboten skal kartlegge og navigere i sanntid. Det er implementert algoritmer som gjør det mulig å motta sensordata og behandle disse mens roboten kjører. Dataene presenteres grafisk i et utvidet brukergrensesnitt der både linjesegmenter og punkter tegnes i samme kart. Slik kan objekter med ulik geometrisk form representeres på en bedre måte enn før. Den innebygde simulatoren er utvidet med flere relevante labyrinter og funksjonalitet. Fra tidligere arbeid var det implementert en veggfølgingsalgoritme laget for å navigere i en linjekart. I denne oppgaven har den eksisterende veggfølgingsalgoritme blitt tilpasset til å håndtere et kombinert linje- og punktbasert kart. En ny metode for å detektere ukjente områder er laget og brukes i navigeringen. Det er foretatt en studie av en ny navigasjonsstrategi som baserer seg på et action-selected prinsipp der navigasjonsstrategier blir valgt på bakgrunn av prioriteter. Det er innført en ladestasjon som roboten kan starte og returnere til. Hensikten er å gjøre roboten mer autonom ved at den kan få ladet batteripakkene uten menneskelig påvirkning. Posisjonsestimatet til roboten kan også forbedres ved at den kan returnere til et fast punkt. Et tilpasset EKF (extended kalman filter) muliggjør oppdatering av posisjon. Tester viser at de utviklete algoritmer for kartlegging og navigering isolert fungerer tilfredsstillende. Likevel kan det ikke konkluderes med at kartleggingen har blitt mye bedre. Posisjonsestimatet er den avgjørende faktoren som begrensninger systemet. Videre arbeid er foreslått til å være forbedring av posisjonsestimatet til roboten. Dette kan gjøres ved endringer i hardware og software, samt å bruke kamera for regulering av robotposisjon. Når posisjoneringen har blitt bedre kan det være aktuelt å se på kartlegging i tre dimensjoner. Det er i rapporten henvist til artikler som beskriver en utvidelse til 3D-SLAM. En annen retning å bevege seg i er å se på samhandlede roboter, der to eller flere LEGO-roboter samarbeider om kartleggigen.</p>

<p>In this report a dynamic macroeconomic model is built in an incremental manner. The economic units are built on an understandable tank analogy that can be described with the use of first order differential equations. The units are realised in the form of block diagrams in Mathworks Simulink®. Simulink block diagrams gives an explicit mathematical formulation of the model, thereby making all the equations, the model consists of, readily available. The economy’s ability to service debt in different settings is tested. The first part of this model is kept simple, so as to make it understandable to people with different backgrounds. Then model realism gets increased priority, but still it is considered vital for the usefulness of the model that the reader truly understands it. However, the fundamental point of the thesis is made before model complexity should become an issue. The foundation for the thesis, which is the work of Trond Andresen is represented in an oral manner, with simple mathematics at the base. The model is built by adding new elements to the model throughout the report, giving an understanding of the individual parts of the model, before they are merged together and the complexity increase. A system that models economic mood is implemented, which has an amplifying effect on the current trend in the economy, and adds new dynamics because of its lag to the actual state of the economy. Real economy deposits are implemented as a “counterweight” to the financial sectors loan issuing. Insolvency in both the real economy and the financial sector is implemented. They both make up balancing loops, setting limits on real economy earnings on deposits, as well as bank’s earnings on issued loans. They both also prevent the model from displaying impossible dynamics under extreme conditions. Banks lending is limited by capital requirement, set by the bank of international settlements, BIS. An regulating agent is also implemented, to guide the economy and keep it on track. It imposes a reserve requirement on the financial sector, which it makes the bank sector uphold through open market operations. Finally a stock market with innate oscillations , developed by Trond Andresen, is implemented in the model. It is not connected to the economy via vessel dynamics, rather it influence the economy through the implemented mood system. This makes the economy more less robust, and induces oscillations in to the economy in otherwise static settings. The economy appear as very fragile, just minor variations in interest rates makes for large fluctuations in the debt burden. The model exhibits path dependence. Minor changes in parameters makes the economy lock into states from which it does not recover. Modelling dynamic systems, especially nontechnical is an imperfect try and fail science. The model will always contain flaws and shortcomings. The best we can do is try to minimize the flaws in the elements that are important for answering the questions we want answered.</p>

<p>Denne oppgaven er et forsøk på å bruke Receding Horizon Estimation til å detektere stiksjon, ved å fungere som parameterestimator. Hovedvekten av oppgaven har ligget på å implementere en algoritme som estimerer gitte parametere i en modell av ventilsystemet. En trenger inngående kjennskap til både modellen av ventilen, og systemet rundt (transferfunksjone fra ventilen til målingen, og regulatorene implementert) for å kunne benytte seg av denne tilnærmingen. Det er vist at RHE fungerer som parameterestimator, men det er mye arbeid som gjenstår før det er en algoritme som fungerer generelt.</p>

<p>Kongsberg Defense & Aerospace (KDA) benytter radarer av typen ”phased array” i deres luftvernsystemer. På bakgrunn av nødvendige egenskaper som elektronisk styring av radarstråle tas denne radartypen også i bruk i denne oppgaven. En tilgjengelig signalkilde fra radaren er SNR data som brukes for utbedring av målfølgingen. På bakgrunn av valgt radar er det fremlagt beskrivelser for hvordan oppstart og avslutning av målfølging kan gjennomføres. Metoder for generering av observasjonsdata og observasjonsstøy er tilpasset SNR data innhentet fra radaren. Observasjonsdata er generert ved monopulsbasert og vinkelbasert metode i form av ”Amplitude Comparison Monopulse (ACM)” og ”Sequential Lobing (SL)”. Observasjonsstøy er generert ved Bartons, NOAH’s og vinkelstøybasert metode, der sistnevnte er utledet fra SL algoritmen. Samtlige metoder er beskrevet matematisk og funksjonelt. To forskjellige typer algoritmer basert på Kalman-filter (KF) er brukt for estimering. Disse benytter forskjellige metoder for å følge manøvrerende mål. Utvidet KF, ”Extended Kalman-filter (EKF)”, er satt i sammen med en manøverdeteksjonsalgoritme og Samvirkende multiple modeller, ”Interacting Multiple Modell (IMM)”, filter benytter sannsynlighetsberegninger for å skille mellom en hastighetsmodell og en akselerasjonsmodell. Sammensetninger av målfølgealgoritmer basert på modeller for observasjonsdata, observasjonsstøy og estimering er implementert i Matlab 2007a og simulert i manøvrerende miljø med ulik grad av akselerasjon og manøvrerbarhet. Det er vist at det mulig å generere tilstrekkelig nøyaktige observasjonsdata ved å benytte SNR data fra radar med vinkelbasert metode. Monopulsbasert metode gir større avvik i form av bias og er dermed uegnet for bruk med filtrene som brukes for estimering. Observasjonsstøy lar seg tilnærme med tilstrekklig nøyaktighet ved NOAH’s og vinkelstøybasert metode. Bartons metode avhenger for lite av differansen i SNR dataene og genererer dermed for unøyaktige støydata for estimatorene. På bakgrunn av resultater fra ulike projeksjoner og statistiske beregninger er det vist at EKF og IMM filteret fungerer godt som estimatorer. IMM filteret gir noe bedre resultater ved manøvre grunnet bedre manøverhåndteringsmetoder. Allikevel fremgår det av konsistenstesten at IMM filteret er optimistisk ved harde manøvre, noe som kan skyldes en dårlig tilpasset akselerasjonsmodell.   Både EKF og IMM filteret ble realisert med variabel målestøy i form av generert observasjonsstøy, og dette viste seg å gi vesentlig større nøyaktighet i estimatene. Det er altså vist at en fullstendig målfølgealgoritme lar seg realisere med tilgjengelige SNR data fra radarer av typen ”phased array”, og at nøyaktigheten kan forbedres ved å innføre variabel målestøy basert på de samme SNR dataene.</p>

<p>Hensikten med denne oppgaven er å bruke dynamiske modeller til å klassifisere spedbarnsbevegelser som normale eller avvikende. Bevegelser er registrert med 6 sensorer, festet til ankler, håndledd, bryst og panne. Hver sensor måler posisjon i rommet og rotasjon, og i denne oppgaven er det blitt fokusert på posisjon. Hvert spedbarn har en eller flere segmenter med måledata, kalt Region of Interest (ROI). Ut i fra hver ROI er det blitt identifisert en dynamisk modell på grunnlag av utgangsvariable. I dette arbeidet er det brukt SISO og MIMO AR- og tilstandsrommodeller. Utgangsvariablene representerer utgangen på den dynamiske modellen, og mange forskjellige alternativer har blitt prøvd ut. Klassifisering er blitt foretatt på bakgrunn av de identifiserte systemparameterne. To strategier er fulgt: Den første baserer seg på å bruke systemparameterne direkte som egenskpsvektor sammen med Lineær Diskriminant Analyse. Den andre tar utgangspunkt i metrikker som måler en distanse mellom to dynamiske modeller, og som bruker K-Nærmeste-Nabo som klassifikator. Resultatene viser at bevegelsene til armene og hodet er viktigst for å skille mellom den friske og avvikende gruppen.Ved å kun betrakte hodet i y-retning, på tvers av spedbarnet, oppnås en spesifisitet på 78.26% og en sensitivitet på 78.64% på ROI-nivå. Ved å se på avstanden mellom armene i x-retning,langs spedbarnet, oppnås en spesifisitet på 79.61% og en sensitivitet på 82.61%. I begge tilfellene er det brukt 4.ordens SISO AR-modeller og LDA som klassifikator. Ved å kombinere egenskapsvektorene fra disse to tilfellene sammen i en ny egenskapsvektor oppnåes en spesifisitet på 86.96% og en sensitivitet på 85.44%. Klassifisering på pasient-nivå foregår ved å betrakte ROI'ene tilhørende hver pasient. Ved å vekte friske og avvikende ROI'er forskjellig, kan ulike verdier for spesifisitet og sensitivitet oppnås. Resultatet nærmest det optimale punktet i ROC-plottet har en spesifisitet på 90.91% og sensitivitet på 85.71%. Verdiene på spesifisitet og sensitivitet gitt ovenfor viser at tilpasning av dynamiske modeller er en nyttig metode for klassifisering av spedbarnsbevegelser. Metoden er ikke like nøyaktig som den kliniske metoden GMA, men det er mange muligheter for å forbedre resultatene oppnådd i dette arbeidet.</p>

<p>Riser-indusert slugging er et strømningsmønster som kan oppstå i flerfase strømning i stigerøret opp til oljeplattformer og karakteriseres av vesentlige strømnings- og trykkvariasjoner. Den støtvise strømningen forårsaket av riser-indusert slugging kan medføre store produksjonsproblemer for prosessanlegget nedstrøms, og det trengs derfor en metode for å håndtere problemet. En velkjent metode for å unngå slugging er å redusere åpningen til strupeventil ved toppen av stigerøret. I denne rapporten er det foreslått å bruke ulineær MPC kombinert med ulineær tilstandsestimering for å styre pådrag til strupeventil optimalt. Denne rapporten beskriver en alogritme for ulineær modell prediktiv regulering som bruker en ”single shooting” optimaliseringsmetode med prestabilisering. Metoden er en iterativ metode som løser en serie med QP-problemer, i likhet med sekvensiell kvadratisk programmering, for å finne optimalt pådrag. Det er brukt tilstandsestimering, både EKF og UKF, for å estimere systmets tilstander for prediksjon. Algoritmene for NMPC og tilstandsestimering er realisert i Matlab for testing og simulering. Det er brukt en forenklet dynamiske modell av riser-indusert slugging. Slug-strømning har blitt stabilisert for en bestemt ventilåpning ved å bruke NMPC og tilstandsestimering på den forenklede modellen.</p>